45

6 I/U-Kennlinie

6.1 Einführung

6.1.1 Die elektrische Leitfähigkeit

Die elektrische Leitfähigkeit γ ist eine der wichtigsten Größen in der Elektrotechnik. Sie istdie physikalische Größe mit der stärksten Änderung durch äußere Einflüsse. Man denke da-bei an Hochtemperatursupraleiter (HTC), die bei Zimmertemperatur gute Isolatoren mit einemspezifischen elektrischen Widerstand von ρ ∼ 1015 Ω m darstellen und bei Temperaturen un-ter −190 C spezifische Widerstandswerte von ρ ∼ 10−23 Ω m zeigen. Ähnliche Effekte findetman auch bei der Widerstandsänderung von in Sperr- oder Flussrichtung gepolten Dioden. Fürden spezifischen Widerstand ρ (Rho: [ρ] = Ω m) und die elektrische Leitfähigkeit γ (Gamma:[γ] = S/m) gilt

ρ =1

γ. (6.1)

Im Allgemeinen sind die Ladungsträger Elektronen. In Halbleitermaterialien treten zusätzlichdie Löcher (Defektelektronen) als Ladungsträger auf. Bei elektrochemischen Vorgängen (z. B.Gas-Sensorik oder Elektrolyse) sind neben den Elektronen auch die Ionen Ladungsträger; wobeiim letzten Fall mit dem Stromfluss ein Materialtransport einhergeht.

Nach dem Bohrschen Atommodell befinden sich die zu einem Atom gehörenden Elektronenauf Orbitalen, welche jeweils ein entsprechendes Energieniveau repräsentieren. Diese energeti-schen Zustände werden durch die Hauptquantenzahl n, die Bahndrehimpulsquantenzahl l, sowiedie magnetische Quantenzahl m beschrieben. Nach dem Pauliprinzip ergibt sich hieraus einefeste Anzahl von Elektronen, die in diesen Zuständen anzutreffen sind – wegen der zwei mögli-chen Spinorientierungen zwei je Zustand. Betrachtet man nun mehrere Atome in einem Kristall,so kann man das Orbitalmodell in ein Bändermodell überführen. Hierbei entsprechen die ein-zelnen Bänder den Orbitalen repräsentiert durch die Hauptquantenzahl n. Durch Überlagerungder Feinstrukturen (Nebenquantenzahlen) der vielen Atome entsteht ein kontinuierlicher Ener-giebereich (Band). Zwischen den Bändern bleiben wie beim Orbitalmodell Bereiche bestehen,in denen sich die Elektronen nicht dauerhaft aufhalten können; hier existieren keine stabilen Zu-stände. Man spricht von Bereichen sehr geringer Aufenthaltswahrscheinlichkeit (Energielücke,verbotenes Band). Das oberste vollbesetzte Band wird als Valenzband, das darüber liegendeteilweise besetzte oder leere Band als Leitungsband bezeichnet.

Ausgehend vom Bändermodell der Elektronen kann man wie aus Abbildung 6.1 ersichtlich diefür die Elektronen relevanten Materialien grob in drei Arten klassifizieren. Über eine mögliche

6.1 Einführung 46

Eg

Metall Halbleiter Isolator

Ele

ktr

on

enen

erg

ieE

EL

EV

a b c

EF

Valenzband

Leitungsband

Abbildung 6.1: Bändermodell

Besetzung eines Zustandes lassen sich nur Wahrscheinlichkeitsaussagen machen. Die Fermi-energie EF ist daher definiert als die Energie, bei der die Besetzungswahrscheinlichkeit derenergetischen Zustände mit Elektronen genau 1/2 ist.

Zur elektrischen Leitfähigkeit können nur Elektronen beitragen, die sich in Bändern, die nicht

voll besetzt sind, aufhalten. Durch die Bewegung aufgrund eines elektrischen Feldes muss dasElektron Energie aufnehmen, was es nur kann, wenn in dem Band, in dem es sich befindet,ein energetisch höher liegender Zustand unbesetzt ist. Hieraus wird klar, dass z. B. ein Metall,bei dem die Fermienergie in einem Band liegt, ein guter Leiter ist. Hingegen ist der Halblei-ter ein schlechter Leiter, weil bei ihm die Fermienergie in einer „verbotenen Zone“ liegt. Hiermuss erst eine Energie größer der Energielücke EG vorhanden sein, um das Elektron in dasLeitungsband zu heben. Die Fermifunktion ist stark von der Materialtemperatur abhängig, d. h.bei höherer Temperatur haben einige Elektronen so viel thermische Energie, dass sie die Ener-gielücke überspringen können (Generation). Bei einem guten Isolator ist diese Lücke so breit,dass dieses bei „normaler“ Temperatur nicht passiert. Von Isolatoren wird gesprochen, wennEG einen Wert von > 3 eV aufweist.

Die Fermienergie EF ist eine materialspezifische Größe und lässt sich bei Halbleitern bzw. Iso-latoren durch den Einbau fremder Atome in den Kristallverband (Dotierung) in ihrer relativenLage zu den Bändern verändern. So kann man z. B. durch hohe Dotierung einen Halbleiter inquasi metallische Leitung überführen (d. h. EF liegt sehr nahe am Leitungsband). Im Bänder-modell zeigt sich die Dotierung durch energetische Zustände innerhalb der Bandlücke in derNähe der Bandkanten.

Wichtig in Bezug auf die Leitfähigkeit eines Materials ist die Aussage, dass die Anzahl derfreien Ladungsträger mit steigender Energie (Temperatur, Strahlung, . . . ) zunimmt. Eine wei-tere bestimmende materialspezifische Größe ist ihre Beweglichkeit. Die Beweglichkeit der La-dungsträger nimmt generell mit steigender Temperatur ab, d. h. sie wird durch die Bewegung

6.1 Einführung 47

der Atomkerne um ihre Ruhelage gestört – man spricht von einer Abnahme der mittleren frei-

en Weglänge, die ein Elektron ungestört zurücklegen kann, ohne mit anderen Elektronen oderAtomrümpfen zusammenzustoßen. Die Beweglichkeit ist damit ebenfalls eine Funktion desperfekten Kristallaufbaus (Punktfehler, Versetzungen, Korngrenzen, . . . ) und eine Funktion derLadungsträgergeschwindigkeit.

Die soeben beschriebenen Mechanismen regeln die Anzahl der freien Ladungsträger. Beispiels-weise wird die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern bestimmt durch die Anzahl der freienLadungsträger pro Volumen und deren Beweglichkeit:

γ = e · (n · µn + p · µp) (6.2)

mit e = Elementarladung, n, p = Anzahl der Elektronen bzw. Löcher pro Volumen undµn, µp = Beweglichkeit der Elektronen bzw. Löcher. Da die Anzahl n und die Beweglichkeit µder Ladungsträger von der Temperatur abhängen, ist die Leitfähigkeit ebenfalls in komplizierterWeise in bestimmten Temperaturbereichen von dieser abhängig.

6.1.2 Der p-n-Übergang

Bei einer Diode (p-n-Übergang) werden zwei unterschiedlich dotierte Halbleiter zusammenge-fügt. An der Grenze zwischen p- und n-leitendem Gebiet des Kristalls erfolgt eine Diffusionvon Löchern in die n-Schicht und von Elektronen in die p-Schicht. Durch die Ladungstrennung(Raumladungszone) entsteht ein elektrisches Potenzial VD, welches einen Strom in umgekehrterRichtung hervorruft. Das Gleichgewicht stellt sich ein, wenn der Diffusionsstrom gleich dementgegengerichteten Feldstrom ist. Das ist dann der Fall, wenn die Fermienergien auf gleicherenergetischer Höhe liegen. Abbildung 6.2 stellt diesen Sachverhalt im Bänderschema dar.

Wird das Potenzial VD durch eine äußere Spannung zusätzlich noch vergrößert, so kann nur einsehr kleiner, durch eine thermische Generation von Ladungsträgern in der Raumladungszone

E p-Halbleiter n-Halbleiter

p n

EL

EF

EF

EV

p-Feldstrom

p-Diffusionsstrom

n-Diffusionsstrom

n-Feldstrom

p n

EL

p

LE

p

VE

-e VD

E

Abbildung 6.2: Bänderschema des p-n-Übergangs

6.1 Einführung 48

p n

p

LE-e (VD+ |U|)

p

V

F

E

E

n

V

F

n

L

E

E

E

E

0 x

E

0 x

p-Zone

n-Zone

EL

EV

p n

Sperrrichtung

Abbildung 6.3: Bänderschema der Zenerdiode

verursachter Strom fließen. Wird VD verkleinert, so ergibt die hierdurch geförderte Diffusioneinen größeren Strom.

Bei der Zenerdiode wird ein anderer Effekt zur Leitfähigkeits- bzw. Stromsteuerung ausgenutzt.Hierbei handelt es sich um sehr hochdotierte p- und n-Halbleiter, bei denen der Übergang imBänderschema wie in Abbildung 6.3 aussieht. Durch das Anlegen einer Spannung in Sperrrich-tung liegen Leitungsband und Valenzband auf dem gleichen energetischen Niveau und sind nurdurch einen räumlich sehr schmalen Bereich, in dem sie keine Zustände besetzen dürfen, ge-trennt. Dieser schmale Bereich kann quantenmechanisch von den Elektronen des Valenzbandesim p-Gebiet durchtunnelt werden. Dieses führt zu einem sehr großen Strom, der fast spannungs-unabhängig ist. Dieser Durchbruch wird Zenerdurchbruch genannt und darf nicht verwechseltwerden mit der Durchbruchspannung einer normalen Diode bei hoher Sperrspannung, der dortzur Zerstörung der Diode führt.

Wird eine Diode von der Durchlassrichtung in die Sperrrichtung umgepolt, so muss die Raum-ladungszone erneut aufgebaut werden, welches eine kurze Zeit beansprucht. In dieser Zeit istdie Sperrfähigkeit der Diode nicht vorhanden. Diese Sperrträgheit ist bei Leistungshalbleitern(p-n-Diode, Thyristor) von entscheidender Bedeutung im Wechselstromverhalten.

6.1.3 Beispiele: Photowiderstand, Photodiode, Lumineszenzdiode

6.1.3.1 Der Photowiderstand

Werden in einem Halbleiter Photonen (Licht) absorbiert, so können diese, sobald die Photon-energie größer als der Bandabstand ist, Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsbandheben (Innerer Photoeffekt). Sowohl die angehobenen Elektronen als auch die dadurch entstan-denen Löcher tragen bei einer angelegten Spannung zum elektrischen Strom bei. Somit entstehteine Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von der Intensität und der Energie des Lichtes.

6.2 Vorbereitungen 49

6.1.3.2 Die Lumineszenzdiode

Die Lumineszenzdiode (LED) ist ein geeigneter p-n-Übergang in Flusspolung, bei dem dieLichtemission auf einer zeitlichen Umkehrung des inneren Photoeffektes beruht. Die in einemHalbleiter in der Minderheit vorhandenen Ladungsträger (Minoritätsträger) – also Löcher imn-Halbleiter und Elektronen im p-Halbleiter – rekombinieren nach einer charakteristischen Zeitτ unter Abgabe von Energie in Form von Licht und / oder Wärme. Bei einem stromdurch-flossenen p-n-Übergang werden die Majoritätsladungsträger der einen Seite beim Übertritt zuMinoritätsladungsträgern der anderen Seite und rekombinieren nach obigem Gesetz (Minori-

tätsladungsträgerinjektion). Wählt man das geeignete Material aus (direkter Bandübergang)und sorgt für eine gute Lichtabstrahlung, so erhält man eine Lumineszenzdiode (Leuchtdiode).

6.1.3.3 Die Photodiode

Die Photodiode ist eine Halbleiterdiode mit einem lichtdurchlässigen Durchgriff (Fenster) aufdie Sperrschicht (p-n-Übergang) der Diode. Bei Lichteinfall werden Ladungsträger (Elektronen-Loch-Paare) erzeugt, die den ursprünglichen Sperrstrom erhöhen. Der zusätzlich durch Licht er-zeugte Strom wird als Photostrom Iph bezeichnet. Die frequenzbestimmende Zeit ist hier nichtdurch die Lebensdauer wie bei dem Photowiderstand, sondern durch die Laufzeit in der Raum-ladungszone gegeben und kann sehr klein sein. Somit ist die Photodiode zur Messung vonhöherfrequenten Lichtschwankungen geeignet.

6.2 Vorbereitungen

6.2.1 Allgemein

Bereiten Sie sich mit Hilfe der Einleitung, den Vorlesungsunterlagen und mit weiteren Quel-len (Bibliothek, Internet) ausführlich vor. Sollten Fragen offen bleiben, wenden Sie sich bitterechtzeitig an einen Betreuer oder Herrn Schneider, R. −1325, WA 73.

6.2.2 Fragen zur Vorbereitung

Beantworten Sie bitte zur Vorbereitung dieses Versuches schriftlich folgende Fragen:

1. Warum nimmt die Leitfähigkeit von Metallen mit steigender Temperatur ab?

2. Wie verhält sich die Leitfähigkeit von Halbleitern bei sehr tiefen, normalen (Raumtem-peratur) und weiter steigenden Temperaturen?

6.3 Versuchsdurchführung 50

3. Was versteht man unter "Dotieren"?

4. Wie wirkt sich das Dotieren auf die elektrischen Eigenschaften von Halbleitern aus?

5. Was unterscheidet eine Zenerdiode von einer normalen Diode?

6. Kann eine Photodiode auch in Flussrichtung betrieben werden?

7. Was passiert, wenn auf eine Photodiode ohne äußere Spannung Licht eingestrahlt wird?

6.3 Versuchsdurchführung

6.3.1 Strom- / Spannungskennlinie einer Glühlampe

Die Stromspannungskennlinie eines „Ohmschen“ Widerstandes ist eine Gerade:

I = f(U) = G · U mit dem Leitwert G =1

R. (6.3)

Kann sich die Temperatur frei mit der Belastung einstellen, so ändert sich der Widerstand mitder Temperatur ϑ (Theta):

Rϑ = R20 (1 + α20 ·∆ϑ) mit ∆ϑ = ϑ− 20 C. (6.4)

Achtung: α wird in der Regel mit der Einheit 1/K angegeben (K = Kelvin). Der Tempera-turkoeffizient α kann positiv (α > 0) bei Metallen und negativ (α < 0) bei Halbleitern oderauch nahezu Null z. B. bei Konstantan und Manganin sein. Die Kennlinien mit besonderen Lei-tungsmechanismen z. B. von Halbleitern, Elektronenröhren oder Gasentladungsstrecken sindim Allgemeinen nichtlinear.

6.3.1.1 Versuchsaufbau

Bauen Sie die Schaltung gemäß Abbildung 6.4 auf. Als Spannungsquelle dient ein Labornetz-teil.

A

VU0

I

IL

U0

Abbildung 6.4: Strom-/Spannungsmessung an einer Glühlampe

6.3 Versuchsdurchführung 51

6.3.1.2 Aufgabe

Bestimmen Sie mit Hilfe des Multimeters (Widerstandsmessbereich) den Kaltwiderstand R20

der Glühlampe.

R20 =

Nehmen Sie die Kennlinie I = f(U) für U/ [V] = 0; 1; 2,5; 5; 7,5; 10; 14; 15 auf. Dazu mes-sen Sie jeweils den Strom I in Abhängigkeit von der eingestellten Spannung U und tragen dieWerte in die Tabelle 6.1 ein.

Tabelle 6.1: Strom-/Spannungskennlinie einer Glühlampe

U/V 0 1 2,5 5 7,5 10 14 15

I/mA

Skizzieren Sie die Funktion I = f(U):

Bestimmen Sie nun den Temperaturkoeffizient α unter der Annahme, dass die Wendel der Glüh-lampe bei einer Spannung von U = 15 V eine Temperatur von ϑ = 2000 C aufweist.

Die Formel zur Berechnung von α lautet:

6.3 Versuchsdurchführung 52

Daraus folgt: α =

Ist der Strom durch den Spannungsmesser (angenommen: Ri = 10 MΩ) zu berücksichtigen?

6.3.2 Aufnahme einer Diodenkennlinie

6.3.2.1 Versuchsaufbau

Bauen Sie die Schaltung gemäß Abbildung 6.5 auf. Als Spannungsquelle dient das Labornetz-teil. Die Strommessung ist mit dem empfindlichsten zur Verfügung stehenden Amperemeterdurchzuführen.

A

V UD

IDR = 100

U0

Abbildung 6.5: Strom- und Spannungsmessung an einer Diode

6.3.2.2 Aufgabe

Nehmen Sie die Diodenkennlinie I = f(UD) mit ca. 10 Messpunkten für UD = 0V . . . 1V auf und tragen Sie die Werte in Tabelle 6.2 ein.

Achtung: Im Knickpunkt muss sehr sorgfältig gemessen werden. Warum?

6.3 Versuchsdurchführung 53

Tabelle 6.2: Strom-/Spannungskennlinie einer Diode

UD/mV ID/mA

0

0,3µA

400

UD/mV ID/mA

Der Strom durch die Diode wurde mit einer Stromfehlerschaltung gemessen. Wie lautet dieFormel zur Korrektur des Stroms?

IIST = ISOLL + ∆I

IIST : gemessener Wert (IST-Wert)

ISOLL: wahrer Wert (SOLL-Wert)

F = ∆I: absoluter Fehler

∆I=

Korrigieren Sie den größten und den kleinsten bei der Messung aufgetretenen Stromwert ausTabelle 6.2. Wie groß sind die absoluten Fehler?

∆I1 = ∆I2 =

Wie groß sind die relativen Fehler in %?

f = FISOLL

= IIST−ISOLLISOLL

100%

f(I1) = f(I2) =

6.3 Versuchsdurchführung 54

Beurteilen Sie die soeben errechneten Fehler!

Skizzieren Sie die Kennlinie und kennzeichnen Sie die Schwell- bzw. Durchlassspannung (Schnitt-punkt der Tangente an der Kennlinie für I 0 mit der Spannungs-Achse).

Wie groß ist die Schwellspannung?

Ud =

Die Diodenkennlinie lässt sich näherungsweise durch eine Exponentialfunktion beschreiben.

ID = IS ·(e

UDm·UT − 1

)(6.5)

Hierbei ist ID bzw. UD der Diodenstrom bzw. die Diodenspannung und IS der von der Tem-peratur abhängige Strom in Sperrrichtung (Sperrstrom) — er verdoppelt sich etwa bei einerTemperaturerhöhung von 10K. Mit m bezeichnet man einen Korrekturfaktor der im Bereich1,1 < m < 2 liegt. Die Temperaturspannung UT ergibt sich aus kT/e0 wobei k die Bolzmann-Konstante (1,38 · 10−23 Ws/K), T die Sperrschichttemperatur und e0 die Elementarladung(1,6 · 10−19 As) ist.

Schätzen Sie den theoretischen Sperrstrom IS nach folgender Vorgehensweise ab:Stellen Sie U0 > 0 und damit UD so ein, dass ID auf der empfindlichsten Stufe des Strom-

6.3 Versuchsdurchführung 55

messgerätes gerade noch einen ablesbaren Ausschlag hervorruft. Tragen Sie dieses Wertepaarzusätzlich in die Tabelle 6.2 ein. Aus der Gleichung 6.5 folgt mit dem Ansatz

m · UT = 36 mV (6.6)

der theoretische Sperrstrom.

IS =

Der reale Sperrstrom einer Diode ist durch mehrere in Gleichung 6.5 unberücksichtigte Effekteum einige Größenordnungen größer, daher beschreibt Gleichung 6.5 die Diodenkennlinie nurin Durchlassrichtung mit hinreichender Genauigkeit.

6.3.3 Diode im Wechselstromkreis

Bauen Sie die Schaltung gemäß Abbildung 6.6 auf. Schließen Sie als Quelle einen Funktions-generator mit einer Rechteckspannung von USS = 1 V und einer Frequenz von f = 10 kHz an.Geben Sie die Eingangsspannung u(t) auf Kanal 1 und den Spannungsabfall UD auf Kanal 2des Oszilloskops.Stellen Sie das Oszilloskop so ein, dass das Nullpotential beider Eingänge auf der Mittellinie

liegt. Stellen Sie die Triggerung auf negative Flanke ein.

A

V UD

IDR = 1 k

u(t)

Abbildung 6.6: Diode im Wechselstromkreis

Was ist bezüglich der Massepunkte von Funktionsgenerator und Oszilloskop zu beachten?

Stellen Sie genau eine Periode des Signals auf dem Oszilloskop dar. Versuchen Sie, die ange-zeigte Zeitfunktion zu interpretieren!Was erwarten Sie von der Diode? (Wo) Sperrt sie, lässt sie den Strom durch?Skizzieren Sie eine Periode der Zeitfunktion!Erhöhen Sie nun die Rechteckspannung auf USS = 5 V. Skizzieren Sie auch diese Zeitfunktion.

6.3 Versuchsdurchführung 56

U(t) für USS = 1 V U(t) für USS = 5 V

Amplitude: V/DIV

Zeitbasis: ms/DIV

Amplitude: V/DIV

Zeitbasis: ms/DIV

Wie unterscheiden sich die beiden Zeitfunktionen? Wo sperrt die Diode, wo lässt sie durch?(Begründung!)

Bestimmen Sie nun die Speicherzeit tS und die Ausschaltzeit tf . Die Speicherzeit ist diejenigeZeit, die zwischen dem Polaritätswechsel der Quellspannung u(t) und dem Ändern der Polaritätder an der Diode abfallenden Spannung UD vergeht.Die Ausschaltzeit ist die Zeit vom Polaritätswechsel der Diodenspannung UD, bis zu dem Zeit-punkt an dem UD 90% seiner maximalen Sperrspannung erreicht hat. Abbildung 6.7 soll Ihnenals Hilfestellung dienen. Dehnen Sie zur besseren Darstellung die Zeitachse und stellen Sie deninteressierenden Bereich möglichst bildschirmfüllend dar. Skizzieren Sie das Oszilloskopbild.

6.3 Versuchsdurchführung 57

0%10%

30%

50%

70%

90%100%

GND

TriggerUmschaltpunkt Quelle

ts tf

Abbildung 6.7: Speicher- und Ausschaltzeit

Amplitude: V/DIV

Zeitbasis: ms/DIV

tS =

tf =

Aus der Summe von tS und tf ergibt sich die Erholzeit (Recovery Time) trec:

trec = tS + tf =

Wie verhält sich die Speicherzeit mit größer werdendem ID ? Variieren Sie hierzu die Amplitude

6.3 Versuchsdurchführung 58

des Funktionsgenerators bis USSmax = 7 V.

Wie sieht die Gleichrichtwirkung fur Signale mit einer Frequenz von f ≥ 1/tS aus? ErhöhenSie hierzu die Frequenz am Funktionsgenerator bei USS = 5 V.

6.3 Versuchsdurchführung 59

6.3.4 Messung an einer Zenerdiode

6.3.4.1 Versuchsaufbau

Bauen Sie die Schaltung nach Abbildung 6.5 mit einer Zenerdiode auf. Schalten Sie die Zener-diode in Durchlassrichtung. Nehmen Sie die Diodenkennlinie ID = f(UD) in Durchlass- undin Sperrrichtung auf und stellen Sie den Verlauf graphisch dar. Achtung: Der maximale Di-odenstrom von IDmax = 70 mA darf nicht überschritten werden! Messen Sie auch hier dieKnickpunkte mit großer Sorgfalt aus. Zum Umschalten zwischen Durchlass- und Sperrrichtungpolen Sie bitte die Eingangsspannung U0 am Labornetzteil um. Bestimmen Sie anschließenddie Schwell- und Zenerspannung.

Tabelle 6.3: Strom-/Spannungskennlinie einer Zenerdiode

UD/mV ID/mA Bemerkung UD/mV ID/mA Bemerkung

6.3 Versuchsdurchführung 60

Ud =

Uz =

6.3.5 Messung an einer Photodiode

6.3.5.1 Versuchsaufbau

Bauen Sie die Schaltung zur Strom-/Spannungsmessungen an einer Photodiode nach Abbildung6.8 auf.

A

UL

IFDR = 1 k

U1

VV

UD

U0

Abbildung 6.8: Strom-/Spannungsmessung an einer Photodiode

6.3.5.2 Aufgabe: Aufnahme der Kennlinie einer Photodiode

Nehmen Sie die Durchlasskennlinie der Photodiode ID = f(UD) bei einer Lampenspannungvon UL = 15 V auf. Nehmen Sie im Intervall [UD = 0 V, UD(ID = 0 mA)] mindestens 10

6.3 Versuchsdurchführung 61

Wertepaare auf — vergessen Sie nicht die Werte für ID(UD = 0 V) und UD(ID = 0 mA). DerBereich ID > 0 mA ist bei dieser Messung nicht relevant.

Achtung: Messen Sie den Knickbereich der Kennlinie (Durchlassrichtung) sehr genau aus!

Tabelle 6.4: Strom-/Spannungskennlinie einer Photodiode

UL = 15 V

UD/mV ID/ µA

UL = 15 V

UD/mV ID/ µA

Skizzieren Sie die Kennlinien in einem Diagramm (4. Quadranten). Wählen Sie die Achsenein-teilungen so, dass die Kennliniedarstellung möglichst formatfüllend ist.

6.3 Versuchsdurchführung 62

6.3 Versuchsdurchführung 63

Bestimmen Sie den Photostrom IF . Der Photodiodenstrom errechnet sich nach der Formel:

ID = IS ·(e

UDm·UT − 1

)− IF (6.7)

An welchem Punkt der Kennlinie können Sie den Photostrom IF direkt ablesen?

IF =

Berechnen Sie für die Messpunkte die mögliche Leistungsabgabe, und zeichnen Sie die Leis-tungskennlinie in das Kennlinienfeld der Photodiode ein.

Tabelle 6.5: Leistungskennlinie einer Photodiode im Generatorbetrieb

UD/mV ID/ µA PD/ µW

Ein Lastwiderstand soll an der Photodiode (im Generatorbetrieb) betrieben werden. Konstruie-ren Sie die zugehörige Widerstandsgerade, bei der im Widerstand die maximal mögliche Leis-tung umgesetzt wird und zeichnen Sie diese in das Kennlinienfeld ein.

Wie groß muss der Lastwiderstand gewählt werden?

RL =

Literatur 64

Literatur

[1] CLAUSERT, H. ; WIESEMANN, G. : Grundgebiete der Elektrotechnik 1. 8. Auflage. Mün-chen, Wien : Oldenbourg, 2003

[2] SCHRÜFER, E. : Elektrische Messtechnik – Messung elektrischer und nichtelektrischer

Größen. 9., aktualisierte Auflage. München : Hanser Verlag, 2007

[3] STÖCKER, H. (Hrsg.): Taschenbuch der Physik. 3. Auflage. Thun, Frankfurt am Main :Verlag Harri Deutsch, 1998

[4] TIETZE, U. ; SCHENK, C. : Halbleiter-Schaltungstechnik. 12. Auflage. Berlin : Springer,2002